合成气为核心的能源化工系统的系统分析和生命周期评价

论文摘要

合成气为核心的能源化工系统是指以煤炭气化为主线,天然气、煤层气、焦炉气、生物质等为辅助原料,制备合成气作为能源载体和平台化学品,并利用合成气下游生产多种产品的能源化工复合系统。它将不同特性的原料和加工工艺过程进行有机耦合,具有能量利用效率高、经济效益好以及污染物排放少的优势,是综合解决中国能源和环境问题的有效途径。本文将系统工程的理论与方法引入能源化工系统的设计与分析研究中,以合成气为核心的多联供多联产系统为对象展开研究。运用系统工程思想剖析能源化工系统的流程方案、流程设计、分析评价、流程优化进行了系统的探索研究。合成气为核心的能源化工系统集成度高,系统庞大,本文在对各流程单元机理的认知和技术比选的基础上,建立单元模型进行流程模拟,采用Aspen Plus软件构建主要单元模块和模拟平台。结合火用利用和热经济分析。通过单元模块的合成和集成建立不同的耦合方案,获得系统热力学和热经济特性。针对复杂能源化工系统,提出了多原料输入多产品输出系统的评价准则,此方法基于产品的折合方法推导出技术经济指标,能量节约率、投资节约率和成本节约率。通过该评价准则反映系统的优劣,并可在设计和优化阶段适时地考虑系统各种参数的变化。本文引入生命周期思想,建立能源生产系统的生命周期成本模型,对三个发电技术方案进行了生命周期环境和经济性能分析。结果表明,综合考虑能源结构状况,整体煤气化联合循环(IGCC)是合适的洁净煤发电技术。本论文研究了合成气为核心的能源化工系统进行流程方案思路、流程建立、系统分析和评价,不仅扩展了能源化工相关研究领域的深度和广度,丰富并完善了能源化工系统工程研究的理论方法,具有理论价值,而且对指导我国能源化工系统的推广和实施有着切实有效的现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表目录
• List of figures and tables
• 第一章 绪论
• 1.1 我国能源利用现状
• 1.1.1 石油补充与替代能源
• 1.1.2 以煤炭为主、其它能源为辅的资源状况
• 1.2 合成气为核心的多联供多联产集成能源化工系统
• 1.2.1 洁净煤技术发展趋势—煤气化技术
• 1.2.2 煤气化为核心的能源化工多联产系统
• 1.2.3 合成气为核心的多联供多联产能源化工系统
• 1.3 能源化工系统的系统工程学
• 1.3.1 过程系统工程
• 1.3.2 能源化工系统的系统工程框架
• 1.3.3 能源化工系统工程的多尺度特征
• 1.3.4 能源化工系统工程的研究方法论体系
• 1.4 能源化工系统工程方法
• 1.4.1 流程建模、模拟技术
• 1.4.2 能源化工系统的技术经济分析
• 1.4.3 考虑生命周期的系统分析方法
• 1.5 本课题的研究思路和研究内容
• 1.5.1 研究思路
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 合成气为核心的能源化工系统的建模和模拟
• 2.1 Aspen Plus 过程模拟
• 2.2 过程单元
• 2.3 建模和模拟的假设
• 2.4 单元建模和模拟
• 2.4.1 空分单元模块（ASU）
• 2.4.2 固体原料气化单元（SPG）
• 2.4.3 酸性气体净化和硫回收单元（AGR-CLAUS）
• 2.4.4 余热回收和联合循环单元模块（HRSG-CC）
• 2.4.5 甲烷重整单元（SMR）
• 2.4.6 水蒸气变换单元（WGS）
• 2.4.7 甲醇合成单元（MEOH）
• 2.5 案例
• 2.5.1 案例一：IGCC
• 2.5.2 案例二：NGME
• 2.5.3 案例三：CFCP
• 2.5.4 系统建立和性能分析
• 2.6 小结
• 第三章 能源化工流程模拟和评价中的火用分析
• 3.1 火用的概念和计算
• 3.1.1 化学火用的计算
• 3.1.2 物理火用的计算
• 3.1.3 混合火用的计算
• 3.1.4 物流火用计算的简化
• 3.2 火用分析方法
• 3.2.1 火用分析模型
• 3.2.2 火用分析指标
• 3.3 基于流程模拟的火用分析方法
• 3.4 能源化工系统的火用分析
• 3.4.1 黑箱模型分析
• 3.4.2 灰箱模型分析
• 3.5 小结
• 第四章 复杂能源化工系统的技术经济评价准则
• 4.1 多原料输入多产品输出的复杂能源化工系统
• 4.2 能源化工系统的评价准则及存在问题
• 4.2.1 单原料输入单产品输出系统
• 4.2.2 单原料输入多产品输出系统
• 4.2.3 多原料输入多产品输出系统
• 4.3 PFPP系统信息流矩阵模型
• 4.3.1 火用流矩阵
• 4.3.2 火用投资矩阵
• 4.3.3 PFPP参照基准系统的火用流矩阵
• 4.4 PFPP系统的评价指标
• 4.4.1 能量节约率
• 4.4.2 投资节约率
• 4.4.3 成本节约率
• 4.5 双原料输入双产品输出系统的评价准则
• 4.6 评价准则的应用
• 4.6.1 流程方案评价
• 4.6.2 流程参数优化
• 4.7 小结
• 第五章 能源化工系统的生命周期分析
• 5.1 LCCA方法
• 5.1.1 LCCA概念
• 5.1.2 生命周期边界
• 5.1.3 LCC模型
• 5.1.4 LCCA框架
• 5.2 发电系统的LCC模型
• 5.3 发电系统的清单分析
• 5.3.1 电厂生命周期排放清单
• 5.3.2 燃料（煤/天然气）生命周期排放清单
• 5.3.3 发电系统生命周期环境排放清单
• 5.4 发电系统的生命周期评价
• 5.4.1 清单分析
• 5.4.2 环境影响评价
• 5.5 发电方案的生命周期成本分析
• 5.5.1 内部成本的计算
• 5.5.2 外部成本的计算
• 5.5.3 生命周期成本的分析
• 5.6 结论
• 附录 发电系统生命周期环境排放清单和外部成本清单
• 结论
• 参考文献
• 符号说明
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附表